專利名稱：一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碼分多址(CDMA)體制是現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，擴頻碼在衛(wèi)星導(dǎo)航中的作用體現(xiàn)在兩個方面(I)多址，使用不同擴頻碼區(qū)分來自不同衛(wèi)星的信號；(2)擴頻，將低速的導(dǎo)航電文擴頻到寬帶信號以提高定位精度和抗干擾能力。美國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的早期信號設(shè)計設(shè)計如L1C/A、L1/L2 P(Y)信號都是以CDMA體制作為基礎(chǔ)，現(xiàn)代化的信號如L5、L2C、LlC民用信號和L1M、L2M軍用信號也采用了 CDMA體制，歐洲的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也是以CDMA體制作為導(dǎo)航信號的基礎(chǔ)，俄羅斯的GL0NASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)早期采用頻分多址(FDMA)體制作為多址方式，但自2011年開始在K-I衛(wèi)星上進行 CDMA體制信號L3 OC的技術(shù)實驗。擴頻碼的數(shù)量及其分配方式對導(dǎo)航的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，首先是冷啟動搜索時間，由于定位需要至少4顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，因此導(dǎo)航接收機在冷啟動狀態(tài)需要搜索所有可能的擴頻碼，搜索所需要的時間或者通道數(shù)與擴頻碼個數(shù)成正比；其次是互相關(guān)性能，Welch門限表明當擴頻碼數(shù)量增加時互相關(guān)干擾增大，要設(shè)計較好互相關(guān)性能的擴頻碼難度也會加大。現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如GPS、Galileo和北斗系統(tǒng)的擴頻碼分配都采用了“一碼一星”的分配原則，這種方法可以保證唯一地確定和識別一顆衛(wèi)星的信號，但是隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加特別是區(qū)域衛(wèi)星增強系統(tǒng)的建設(shè)，對擴頻碼的需求快速增加，以GPS為例早期的信號接口文件(ICD)定義了 37組擴頻碼，其中在軌使用的擴頻碼為24至27組，后來新版本的ICD文件定義的擴頻碼達到了 210組，不僅設(shè)計難度加大而且接收機的實現(xiàn)也有相當難度，目前大部分民用接收機只支持前32組擴頻碼。導(dǎo)航衛(wèi)星的星座通常由軌道面(Orbit plane)和軌道位置(slot)描述，以GPS系統(tǒng)為例，如圖I所示，衛(wèi)星軌道分為A、B、C、D、E、F共6個軌道面，每個軌道面分為I至6個軌道位置，不同軌道位置通過軌道根數(shù)中的平近點角M0(Mean anomaly)區(qū)分。受限于空間位置的關(guān)系，導(dǎo)航接收機是無法接收位于地球背面的衛(wèi)星信號的，即最多只能接收全部衛(wèi)星中的一半衛(wèi)星發(fā)出的信號，實際觀測表明大部分情況下可見衛(wèi)星為8至12顆，地球背面的一半衛(wèi)星對于導(dǎo)航性能并無貢獻。通過對衛(wèi)星軌道和運動狀態(tài)的分析，可以將同一軌道上衛(wèi)星進行配對，每一個衛(wèi)星配對(Satellite Pair)通過軌道位置分析滿足信號互不干擾條件，同一配對的2顆衛(wèi)星可以共用I個擴頻碼，即按照“一碼一對”的原則分配擴頻碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有一碼一星擴頻碼分配方式的冷啟動搜索時間長、相關(guān)性設(shè)計難度大的問題，提出一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，包括如下步驟步驟1，計算導(dǎo)航衛(wèi)星可視范圍。根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道半徑Rs和地球半徑Re，計算地球上可以觀測衛(wèi)星的范圍角a為a = 2 X arccos (Re/Rs)a 單位為度(deg)。步驟2，導(dǎo)航衛(wèi)星配對分組。根據(jù)衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)和步驟I得到的范圍角a，以衛(wèi)星軌道面和衛(wèi)星軌道位置為輸入?yún)?shù)，配對分組在同一個軌道面內(nèi)進行，將全部M顆導(dǎo)航衛(wèi)星分成N個衛(wèi)星配對所述衛(wèi)星配對中的衛(wèi)星數(shù)為I或者2，每一顆衛(wèi)星屬于而且只屬于I個衛(wèi)星配對；當2顆衛(wèi)星的平近點角角度差滿足P ^ a分為一組，當I顆衛(wèi)星和軌道面中的所有衛(wèi)星都不滿足P ^ a則獨立分成一個組，因此N彡M/2。步驟3，選擇導(dǎo)航信號擴頻碼。按照衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對擴頻碼的碼長、相關(guān)性能等要求設(shè)計并選擇N個擴頻碼。步驟4，分配擴頻碼。根據(jù)步驟2中得到N個衛(wèi)星配對和步驟3中得到的N個擴頻碼，將I個擴頻碼分配給I個衛(wèi)星配對。當衛(wèi)星配對中包含2顆衛(wèi)星時共用擴頻碼，包含I顆衛(wèi)星時則獨立使用擴頻碼。至此，基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配過程結(jié)束。所述的基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法實現(xiàn)配對的2顆衛(wèi)星的信號互相不干擾，導(dǎo)航接收機在任何時間、地點只接收到配對衛(wèi)星中I顆衛(wèi)星的信號。有益效果本發(fā)明提出的一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，通過將導(dǎo)航衛(wèi)星進行分組配對，實現(xiàn)了 “一碼一對”的擴頻碼分配。對比現(xiàn)有“一碼一星”的擴頻碼分配方法，在不降低導(dǎo)航性能的前提下將擴頻碼的數(shù)量減少50%，從而改善冷啟動搜索時間和互相關(guān)性能。


圖I為背景技術(shù)中GPS系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明方法的流程圖；圖3為具體實施方式
中同一軌道面的衛(wèi)星覆蓋關(guān)系圖；圖4為具體實施方式
中使用新方法后擴頻碼相關(guān)性能改善曲線圖。
具體實施例方式為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方 案作進一步說明。在本具體實施方式
中，將使用中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為實例描述。同一軌道面上的2顆衛(wèi)星的位置關(guān)系如圖3所示，衛(wèi)星I、衛(wèi)星2位于軌道半徑為Rs的同一軌道，二者的軌道周期和飛行角速度一樣，因此衛(wèi)星I、衛(wèi)星2相對位置固定。地球半徑為Re，則地球上可以觀測衛(wèi)星的范圍角為a = 2Xarccos(RyRs)，衛(wèi)星I、衛(wèi)星2的平近點角角度差為P，因此當滿足P ^ a時衛(wèi)星I、衛(wèi)星2的信號覆蓋區(qū)不會重合和互相干擾。當P = 180deg時，衛(wèi)星I、衛(wèi)星2處于最為理想的相對位置。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)由地球靜止軌道(GEO) 5星、傾斜同步軌道(IGS0)3星、中軌道衛(wèi)星(MEO) 27星。實例只針對MEO衛(wèi)星分配偽碼，27顆MEO衛(wèi)星分布在3個傾角為55度的軌道平面上，軌道高度為21500公里。由于目前北斗系統(tǒng)尚在建設(shè)和測試中，未公布正式的ICD文件，本實例以GPS L1C/A信號的擴頻碼示范擴頻碼分配和優(yōu)化的過程，具體的擴頻碼為PRNl至PRN30，碼長1023比特，未來北斗系統(tǒng)的ICD文件中的真實偽碼并不影響本實例的示范過程。一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，具體步驟為步驟1，計算導(dǎo)航衛(wèi)星可視范圍。根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道半徑和地球半徑，計算衛(wèi)星的觀測范圍角a。地球半徑Re = 6378. 14KM，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的MEO衛(wèi)星軌道半徑Rs =21500+6378. 14 = 27878. 14KM，則 MEO 衛(wèi)星觀測范圍 a = 2 X arccos (Re/Rs) = 153. 55deg。步驟2，導(dǎo)航衛(wèi)星配對分組。根據(jù)衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)和步驟I中的角度a，以衛(wèi)星軌道面和衛(wèi)星軌道位置為輸入?yún)?shù)，將全部M顆導(dǎo)航衛(wèi)星分成N個衛(wèi)星配對。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的MEO衛(wèi)星分布在A、B、C三個軌道面上，衛(wèi)星位置用I至9表示，即Al至A9表示A軌道面的9個衛(wèi)星位置，假設(shè)衛(wèi)星均勻分布，即衛(wèi)星的平近點角MO如表I所示表I A軌道面衛(wèi)星分布
權(quán)利要求
1.一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，計算導(dǎo)航衛(wèi)星可視范圍； 根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道半徑Rs和地球半徑Re，計算地球上可以觀測衛(wèi)星的范圍角α，α單位為度(deg)α = 2 X arccos (Re/Rs)； 步驟2，導(dǎo)航衛(wèi)星配對分組； 根據(jù)衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)和步驟I得到的范圍角α，以衛(wèi)星軌道面和衛(wèi)星軌道位置為輸入?yún)?shù)，配對分組在同一個軌道面內(nèi)進行，將全部M顆導(dǎo)航衛(wèi)星分成N個衛(wèi)星配對當2顆衛(wèi)星的平近點角角度差滿足β ^ α分為一組，當I顆衛(wèi)星和軌道面中的所有衛(wèi)星都不滿足β ^ α則獨立分成一個組，因此N彡M/2 ; 步驟3，選擇導(dǎo)航信號擴頻碼； 按照衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對擴頻碼的碼長、相關(guān)性能等要求設(shè)計并選擇N個擴頻碼； 步驟4，分配擴頻碼； 根據(jù)步驟2中得到N個衛(wèi)星配對和步驟3中得到的N個擴頻碼，將I個擴頻碼分配給I個衛(wèi)星配對；當衛(wèi)星配對中包含2顆衛(wèi)星時共用擴頻碼，包含I顆衛(wèi)星時則獨立使用擴頻碼； 至此，基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，其特征在于所述衛(wèi)星配對中的衛(wèi)星數(shù)為I或者2，每一顆衛(wèi)星屬于而且只屬于I個衛(wèi)星配對。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，其特征在于實現(xiàn)配對的2顆衛(wèi)星的信號互相不干擾，導(dǎo)航接收機在任何時間、地點只接收到配對衛(wèi)星中I顆衛(wèi)星的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，其特征在于適用于使用CDMA信號作為導(dǎo)航信號的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于衛(wèi)星配對的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擴頻碼分配方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。首先根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道半徑Rs和地球半徑Re，計算地球上可以觀測衛(wèi)星的范圍角α，然后進行導(dǎo)航衛(wèi)星配對分組，并選擇導(dǎo)航信號擴頻碼，將1個擴頻碼分配給1個衛(wèi)星配對。當衛(wèi)星配對中包含2顆衛(wèi)星時共用擴頻碼，包含1顆衛(wèi)星時則獨立使用擴頻碼。對比現(xiàn)有“一碼一星”的擴頻碼分配方法，在不降低導(dǎo)航性能的前提下將擴頻碼的數(shù)量減少50％，從而改善冷啟動搜索時間和互相關(guān)性能。
文檔編號G01S19/01GK102680984SQ20121019328
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者卜祥元, 安建平, 朱建鋒, 李林濤, 樊芳芳, 王愛華 申請人:北京理工大學(xué)